AT502814B1 - Gleitreibungsfreier, elektromechanisch- galvanischer strom- und spannungsübertrager - Google Patents

Description

2 AT 502 814 B1

Die Erfindung hat zum Ziel, mittels galvanischer Verbindung elektrische Signale oder Versorgungsströme von zwei gegeneinander in Bewegung befindlichen mechanischen Körpern zu übertragen. Ist diese Relativbewegung zwischen den beiden Körpern örtlich begrenzt, genügt ein flexibles Kabel zur Übertragung. Bei nicht begrenzter Bewegung kommen üblicherweise 5 Schleifkontakte zum Einsatz.

Ein flexibles Kabel hat den Nachteil, eine Kabelführung zu benötigen, die ein Knicken, Einklemmen oder gar Abscheren des Kabels durch die bewegten Komponenten der Anordnung vermeidet. Ein typisches Anwendungsbeispiel dafür wäre ein Robotergelenk, das zwei gegen-io einander rotierende Arme miteinander mechanisch und elektrisch verbindet. Eine andere Anwendung wären elektrische Maschinen mit Schleifringläufern. Aber auch die galvanische Übertragung zwischen 2 Systemen mit zueinander linearer Relativbewegung wäre verbesserungsbedürftig. 15 Der Einsatz von Schleifkontakten war bisher konstruktiv einfacher und in der Herstellung günstiger. Schleifkontakte unterliegen jedoch einer gewissen Abnutzung und sind (vor allem im gealterten Zustand) für eine Energieübertragung verlustbehaftet und für die Signalübertragung nicht verlässlich genug (Unterbrechungsgefahr). 20 Diese Nachteile vermeidet die vorliegende Erfindung.

Zwei elektrisch leitfähige und gegeneinander unbewegliche Kontaktflächen, die einander gegenüber liegen und die mit einem bestimmten Anpressdruck zusammen gedrückt werden, besitzen einen bestimmten Übergangswiderstand (Kontaktwiderstand), der vom berührenden 25 Material, dessen Oberflächenbeschaffenheit, der Größe der Kontaktfläche und dem Anpressdruck abhängig ist. Für ein elektrisch leitfähiges Band, das ein elektrisch leitfähigen Rad über einen bestimmten Winkel umschlingt und das bei Drehung des Rades um seine Achse auf dem Rad schlupffrei 30 abrollt - daher ebenfalls keine Relativbewegung gegen das Rad ausführt - gelten ähnlich günstige Kontakt-Bedingungen wie für zwei gegeneinander ruhende Kontaktflächen.

Figur 1 veranschaulicht zunächst die Kinematik der vorliegenden Erfindung. Ein festes Zahnrad (1, Figur 1) steht mit einem Zwischenrad (2, Figur 1), das an seiner Innenseite als verzahntes 35 Hohlrad ausgeführt ist und an seiner Außenseite als Zahnrad, permanent im Eingriff. Dieser permanente Eingriff wird dadurch erzwungen, dass das Zwischenrad (2) von einem Exzenter (4, Figur 1) in einer planetarischen Bewegung um das Zahnrad (1, Figur 1) geführt wird und um seine eigene Achse frei beweglich ist, so dass die Wälzkreise beider Verzahnungen einander ständig berühren. Die Außenverzahnung des Zwischenrades greift auf der radial gegenüber 40 liegenden Seite dieses Eingriffs überdies in die Hohlradverzahnung eines Hohlrades (3, Figur 1) ein, das konzentrisch zum Zahnrad (1, Figur 1) gelagert ist.

Versetzt man das Hohlrad (3) nun in Rotation, so wird das Zwischenrad gleichzeitig auf dem Zahnrad (1) und dem Hohlrad (3) in einer geometrisch definierten Weise abrollen. 45

Nun „glättet“ man alle bisher beschriebenen Verzahnungen, erhält dadurch zylindrische Flächen und sorgt durch Anpressdruck dafür, dass die einander berührenden Flächen bei sonst gleichem Szenario schlupffrei ebenfalls aufeinander abrollen. Formschluss wird dann zu Kraftschluss. 50

Das Zwischenrad - seiner Verzahnungen entledigt - wird als flexibles Band ausgeführt woraus die hier zu betrachtende Anordnung entsteht:

Ein elektrisch isolierender (Hohl-) Zylinder (5, Figur 2, 3, 4) ist an seiner äußeren Mantelfläche 55 mit metallischen Bahnen (6, Figur 2, 3, 4) versehen, die voneinander elektrisch isoliert und mit 10 15 20 25 30 35 40 45 3 AT 502 814 B1

Anschlusskontakten (7, Figur 2, 3, 4) an der Stirnseite des Zylinders leitfähig verbunden sind. Konzentrisch dazu ist ein elektrisch isolierender Hohlzylinder (8, Figur 2, 3, 4), der an seiner inneren Mantelfläche mit ebensolchen leitfähigen Bahnen (9, Figur 2, 4) versehen ist, die den Bahnen (6, Figur 2, 3, 4) radial gegenüber liegen und der ebenfalls mit Anschlusskontakten (10, Figur 2, 4) leitfähig verbunden ist. Je 2 Bahnen beider Zylinder sind durch je ein elektrisch leitfähiges und biegungselastisches Band (11, Figur 2, 3, 4), ausgeführt als mehrlagiges Metallband, verbunden. Die Bänder (11, Figur 2, 3, 4) werden durch die Andruckrollen (12, Figur 2, 3) an die Kontaktbahnen (6, Figur 2, 3, 4) gedrückt, und durch die Andruckrollen (13, Figur 2, 3) an die Kontaktbahnen (9, Figur 2, 4). Damit wird eine leitfähige Verbindung zwischen den Bahnen des Außenzylinders mit den gegenüberliegenden Bahnen des Innenzylinders hergestellt. Alle 4 Andruckrollen sind der Anzahl der Leiterbahnen entsprechend mit Führungskragen ausgestattet, die ein axiales Verschieben der Bänder verhindern. Die Führungsrollen sind an beiden Stirnseiten der Anordnung in je einem Rollenträger (14, Figur 2, 3, 4) gelagert. Die Bänder (11, Figur 2, 4) haben neben ihrer Funktion als elektrisches Bindeglied zwischen fester und beweglicher Kontaktbank noch die Aufgaben, den Anpressdruck an die Bahnen herzustellen und Toleranzen bei der Positionierung der Andruckrollen auszugleichen. Im entspannten Zustand nehmen die metallischen Bänder Kreisform an. Beim Andrücken an die innere Kontaktbank wird ein kleinerer Radius erzwungen als es dem entspannten Zustand entspricht, beim Andrücken an die äußere Kontaktbank ein größerer. Damit das Band bei der Verformung immer im elastischen Bereich bleibt, darf seine Wandstärke ein bestimmtes Maß nicht übersteigen. Andererseits dient die Federkraft des Bandes der Erzeugung des notwendigen Kontaktdruckes. Damit der Bereich des Bandes auch zwischen den Andruckrollen mit Druck aufliegt (und nicht nur unter den Andruckrollen) muss das Band auch bei geringer Verformung eine deutliche Gegenkraft entwickeln. Dies ist es bei herkömmlichen (metallischen) Materialien nur mit mehrlagigen Bändern möglich (ähnlich wie bei den Blattfedern alter Eisenbahnwaggons). Sicherer Kontakt wird dann auch hergestellt, wenn die Andruckrollen infolge von Fertigungstoleranzen oder Durchbiegung der Rollenachsen nicht dicht am Band liegen. Die Resultierende der Federkraft aller Bänder drückt die 4 Andruckrollen in Richtung von der Hauptachse der Anordnung zum Kontaktbereich mit dem kleineren Radius. Die Andruckrollen werden in den Rollenträgern (14, Figur 2, 3, 4) gelagert. Um eine radiale Verschiebung dieser Rollenträger zu verhindern, und um die Rollenträger an der Hauptachse der Anordnung zu zentrieren, sind am Rollenträger Stützrollen (15, Figur 2, 3, 4) angebracht, die sich an der Innenseite des Hohlzylinders (8, Figur 2, 3, 4) abstützen. Das Umdrehungsverhältnis u von Außenrad (8, Figur 2, 3, 4) zu der Baugruppe, die in Analogie zum Zwischenrad-Exzenter (4) in Figur 1 hier kurz Zwischenrad genannt wird, bestehend aus den Teilen 12 bis 15 in den Figuren 2, 3, 4, beträgtd3 . d, Λ u — * —7- -1 mit 50 di Außendurchmesser Kontaktbank 6, Figur 2, 3, 4 d2 Innendurchmesser Kontaktbänder 11, Figur 2, 3, 4 d3 Außendurchmesser Kontaktbänder 11, Figur 2, 3, 4 d4 Innendurchmesser Kontaktbank 9, Figur 2, 4. 55 (d3 - d2) / 2 ist die Dicke des Kontaktbandes.

Claims (7)

1. 4 AT 502 814 B1 Vernachlässigt man die Banddicke, indem man d2 := d3 setzt, kommt man auf die vereinfachte Gleichung

   Bei der vorliegenden Ausführung rotiert das Zwischenrad 8,35 mal so schnell wie das Außenrad. Bei geringen Drehzahlen, wie sie bei einem Robotergelenk auftreten ist dieses Übersetzungsverhältnis tragbar, weil im Wesentlichen nur die innere Reibung der Kontaktbänder bei io der Verformung zu übenwinden ist. Eine „Hochgeschwindigkeits“-Ausführung dagegen verlangt, dass di deutlich kleiner ist als d4 - auch, damit die Andruckrollen (12, 13, Figur 2, 3) nicht zu rasch rotieren. Die Kompaktheit der Anordnung geht dabei ein wenig verloren. Eine zweite Ausführung der Erfindung (Figur 5) zeigt die elektrisch leitenden Teile und die 15 Andruckrollen eines Stromabnehmers, der ohne den Einsatz von Schleifkontakten eine galvanische Verbindung zwischen einem linear bewegten System und einer (festen) Stromschiene (16) herstellt. Die Andruckrollen (17) drücken das erste Kontaktband (18) an die Stromschiene, entlang der die gesamte Anordnung rollt. Die Andruckrollen (19) drücken das Kontaktband an die Rolle (17), die auch als Außenkontaktzylinder der zweiten Stufe fungiert. 20 Die nicht rotierende, weil starr mit dem linear bewegten System verbundene Kontaktrolle (20) wird von dem zweiten Kontaktband (21) umschlungen, die Andruckrollen (22) erfüllen dieselbe Aufgabe wie schon in der ersten Ausführung der Erfindung. 25 Die Anordnung nach Figur 5 ist geeignet für eine verschleiß-, geräuscharme und energieeffiziente Stromversorgung von Aufzügen, U-Bahnen, Magnetschwebebahnen usw. Patentansprüche: 30 1. Gleitreibungsfreier elektromechanisch-galvanischer Strom- und Spannungsübertrager zwischen zwei Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein- oder mehrlagige zumindest an ihrer Oberfläche elektrisch leitende Blattfeder (11) oder ein ähnliches elastisches Gebilde als ein Kontaktelement an zwei oder mehreren 35 unterschiedlichen Lagerstellen an eine geeignete Kontaktfläche (6, 9) als anderes Kontakt element gedrückt wird, wobei die Geometrie der Feder im entspannten Zustand von der Geometrie im angedrückten Zustand abweicht und dadurch eine Kontaktkraft auch oder nur außerhalb der Lagerstellen auf die Kontaktfläche ausübt, was den effektiven Stromflußquerschnitt im Kontaktbereich günstig beeinflusst. 40
2. 2. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfeder als in sich geschlossene Schleife ausgeführt ist (11), dass das Andrücken der Feder an die Kontaktfläche mit Andruckrollen (12, 13) erfolgt und dass das Abrollen der Blattfeder auf der Kontaktfläche elektrischen Kontakt an mehreren Stellen ermög-45 licht.
3. 3. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schleifenförmige Blattfeder (11), auch Kontaktband genannt, sowohl an ihrer Innenseite wie auch an ihrer Außenseite elektrischen Kontakt zu festen oder beweglichen, so aber in sich nicht wesentlich verformbaren Kontaktflächen (6, 9) hat, wobei die Andruckrollen (12, 13) jeweils an der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite des Kontaktbandes angeordnet sind und dass auf diese Weise zwei zylindrisch ausgeführte und konzentrische Kontaktflächen (6, 9), die beiden gegeneinander rotieren, durch das dazwischen angeordnete Kontaktband (11) elektrisch verbunden werden, wobei das Kontaktband durch ausrei-55 chende Haftreibung an den zylindrischen Kontaktflächen gezwungen wird, seine Abroll- 5 AT 502 814 B1 und Rotationsgeschwindigkeit um die gemeinsame Drehachse so einzustellen, dass das Kontaktband an der inneren und an der äußeren Kontaktfläche (nahezu) gleitfrei abrollt.
4. 4. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 5 dass die beschriebene Anordnung in einer weiteren Ausführung in Axialrichtung verviel facht wird und dadurch mehrere getrennte elektrisch leitende Verbindungen zwischen zwei gegeneinander beweglichen Systemen entstehen.
5. 5. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, io dass die bei Drehgeschwindigkeitsänderungen ggf. auftretende Gleitreibung reduziert wer den kann, indem parallel zu den sich gegeneinander bewegenden Komponenten der Anordnung eine auf Formschluss basierende Synchronisiereinrichtung (wie etwa Zahnräder) mit den gleichen Übersetzungsverhältnissen mechanisch starr angekoppelt wird.
6. 6. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jene Andruckrollen (12) an der konvexen Seite des Kontaktbandes (11) weggelassen werden können, wenn das Band durch eine entsprechende Geometrie in der Weise unter Zugspannung gesetzt wird, dass bei der Umschlingung Kontaktdruck auf die konvexe Kontaktfläche zustande kommt. 20
7. 7. Strom- und Spannungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beschriebene Anordnung durch eine zweite Baustufe ähnlicher Art (17, 18,19) so erweitert wird, dass auch eine galvanische Übertragung zwischen zwei linear gegeneinander bewegten Systemen ohne Schleifkontakte möglich ist, wobei die erweiterte Baustufe 25 zunächst elektrischen Kontakt von dem linear bewegten System auf ein rotatorisches Sys tem - ebenso mit Andruckrollen und biegeelastisch verformbaren Kontaktbändern - herstellt und die Grundbaustufe der Beschreibung in den vorangegangenen Ansprüchen entspricht. 30 Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 55